礦山企業5G 及萬兆工業環網建設實踐

李硯博， 姚麗英

（山西仲煤工程設計有限公司， 山西 太原 030027）

0 引言

大陽煤礦積極貫徹落實“一個目標、三型五化、七個一流”的新發展戰略，以《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》為引領，以“五個提升”總目標為宗旨，以實現“5 個百分百”為建設目標，按照公司“統籌規劃、一礦一策、切實可行”的原則，高起點、高標準扎實推進智能化體系建設，同時承擔起建設“5G＋”智能化礦山應用礦井的重任。

1 大陽煤礦概況

大陽煤礦地處山西省晉城市大陽鎮，井田面積為17.2 km2，可采煤層有3 號、9 號和15 號，核定年生產能力180 萬t，主產優質無煙煤，礦井儲量豐富，煤質優良，是一家集采煤、洗選和煤矸石制磚于一體的現代化企業[1]。但是，煤礦智能化設備使用率較低，很大程度受限于現場的工作環境和裝備的可靠性，不能建立合理可靠的通信機制，設備各自獨立運行，無法實現各個系統的可靠信息交互[2]。為了應對井下復雜情況，在惡劣條件下按時完成開采工作，全面實現達到智能化開采的目標，必須及時革新技術手段，提升技術水平。而智能開采對礦井釆煤工作面設備自動化的要求較高，設備間存在復雜的無線網絡問題。部分問題可以依靠微波通信的方式實現，既能節約成本，又能避免了工作面布置電纜太多而出現破損等情況。

2 基于5G 和云平臺的智能化建設探索

在智能化礦山云平臺基礎上部署一體化監管平臺、大數據分析平臺和手機APP 平臺，井下所有覆蓋的區域都能通過5G、4G 或Wi-Fi 基站與地面實現數據傳輸，做到井上井下互通互聯[3]。實現井上下三維一張圖可視化監測、綜合自動化全景管控、多系統融合聯動以及手機APP 移動查看各項數據，通過分析大數據得到所需報表及安全態勢，確保煤礦安全生產。

2.1 建設內容及設計方案

大陽煤礦原有和即將建設的使用工業環網傳輸的業務系統，均能通過本次建設的環網正常、穩定、可靠地傳輸，實現數據和視頻分別通過各自環網傳輸。在機房部署萬兆核心交換機、井下部署萬兆交換機，組成雙萬兆環網。地面5G 網絡與井下5G 網絡通過MEC 邊緣計算實現低延時、大帶寬的井上井下一張5G 融合網，主要組成部分如圖1 所示。

圖1 5G 融合網建設

5G 通信系統的核心網位于本礦地上建筑，并保證礦內所有5G 通信系統所產生的數據不出礦，不受承建商核心站控制。即使礦端和承建商網絡之間出現網絡中斷等情況，也可以保障煤礦4G 語音和5G 數據傳輸的正常使用。5G 無線系統網可以支持多端口的號碼互撥，并可實現文字留言的功能。

2.2 5G 網絡整體架構示意圖

為根本性解決井下惡劣環境所造成的數據傳輸效率低、信號不穩定的問題，達到持續提升煤礦綜采工作面的技術水平，大陽煤礦針對控制系統的現狀，提出了5G 網絡的部署規劃。具體分為地面部分和井下部分兩方面，架構示意如圖2 所示。

圖2 5G 網絡整體架構

地面部分包括核心網與SPN 地面部分。其中，核心網為礦用5G 移動通信網絡，由地面的核心網MEC、SPN 環網系統構成。核心網的功能主要是提供井下無線網絡的注冊和控制、業務的鑒權以及語音和數據的交換等功能。SPN 地面部分建設有1 臺PTN設備（PTN980），并組成50GE 環一進一出2 個50GE口。

井下部分包括SPN 與基站兩個部分。由3 臺PTN井下設備和地面設備組成SPN 工業環網，用于實現無線通信系統中設備的接入和承載，通過建設加密虛擬網絡構架業務等級保護模型，建立業務物理或邏輯區域隔離，可根據實際需要引入，直至符合業務安全標準。運用4G、5G 雙模基站，主要是基帶控制單元（BBU）、微型射頻拉遠單元（PRRU）和遠端數據匯聚單元（RHUB），為井下提供5G 無線信號覆蓋。5G 基站可承載不同業務系統的終端，針對5G 基站接入的流量，可匹配基站的切片規劃，在SPN 上規劃不同的切片。

3 井下建設實踐

3.1 設備的選擇

由于環境、設備姿態等相關數據的匱乏，無法得知設備在環境中的位置和狀態，就無法精準進行下一步決策。本次建設系統的核心部件采用華為公司的技術和產品，華為公司的5G 產品在全球處于領先地位，其產品具有極強的生命力，能夠保證長期的零部件的供應及系統的升級要求。

大陽煤礦井下的基站設備和相關配套設備全部通過認證，一切用于井下的5G 通信設備以及手機必須擁有防爆合格證及安全標志準用證雙重認證，按照新產品審核發放模式Ⅱ發放兩年有效期安全標志。這些設備主要有礦用隔爆型數據傳輸分站、礦用隔爆兼本安型無線基站等。

3.2 井下基站布置

經過多次、多場景測試證實，井下5G 網絡上行速率可達到350 m，時延低于20 ms，在主要巷道等地理環境較好的區域，5G 網絡覆蓋半徑可以達到400～500 m，在環境好的區域盡量增加基站覆蓋半徑，減少基站投入量，提升經濟性。在工作面等區域，按照200～300 m 半徑建設基站，通過增加信號強度提高應用穩定性，井下基站共布置45 個設備，其中，皮基站設備（P-RRU）27 個，主要集中布置在皮帶運輸大巷和軌道運輸大巷，集線器（HUB）11 個，其余見表1。

表1 大陽煤礦5G 網絡整體覆蓋設備列表

在皮帶、振動篩和除塵器等設備上配套安裝PLC控制柜、保護傳感器、攝像頭和改造開關柜。將中央變電所和西風井底變電所高開更換為具有標準通訊協議和防越級跳閘功能的設備，在變電所安裝電力監控分站等設備。

3.3 專網與公網互通

大陽煤礦專網的核心網與屬地的晉城移動公網的核心網實現信令完整對接，進而實現專網與公網的無縫連接，斷開原井下工業環網，可通過5G 專用網絡控制試驗生產。5G 作為主要通信鏈路，原有工業環網作為備份，為大陽煤礦的5G 專網用戶提供語音通信和數據通信業務的無縫漫游，地面控制室可通過平臺軟件快速切換實現設備連接，從而保證智能工作面系統永遠在線，運行穩定、可靠。大陽煤礦建設了本地核心網后，即具備了語音通信的本地交換功能，專網內部通信在本地實現自交換,與公網通信通過公網語音通信業務實現。位于地面調度室的5G 專網鏈路可全天遠程操控，實現智能化開采，在專網內部部署多接入邊緣計算服務器（MEC），實現井下數據通信業務在大陽礦的地面核心機房落地處理，而不需要傳輸到公網再返回本地，這是5G 長時間連續服務于煤礦生產的歷史性進步，綜采工作從需要多人轉變為單人遠程操控和單人巡視，智能化水平顯著提升。

4 建設成果

大陽煤礦在本次工業環網改造過程中，實現井上井下的5G 網絡覆蓋率達到95%以上，井下建設了2個可以承載5G 傳輸的工業以太環網，主干帶寬不低于50 GE，每個環網井下分別配置不少于4 臺主干環網交換機，三盤區變電所、中央變電所、避難硐室和集中變電所各1 臺，用于視頻和數據的傳輸。

井下所部署的2 臺互為熱冗余的環網地面核心交換機，每臺背板帶寬最低為640 Gbit/s，上行速度＞1 000 Mbit/s，下行速度＞100 Mbit/s。在此基礎上，可自由調換上行、下行速度，在帶寬上滿足了視頻、大數據和大業務的回傳要求，支持各種有線網絡信號與5G 互轉，保障5G 通信系統所有數據（除需撥打外線語音外）安全與穩定[4-5]。

在智能化礦山云平臺基礎上部署一體化監管平臺、大數據分析平臺和手機APP 平臺。實現井上井下三維一張圖可視化監測、綜合自動化全景管控、多系統融合聯動和手機APP 移動查看各項數據。架空人車巷道的機頭、機尾上車點以及上、下變坡點等關鍵點安裝攝像頭和控制軟件，使用效果如圖3 所示。

圖3 設備使用效果

5 結語

“5G+”工業互聯網在煤礦應用的帷幕剛剛拉開，煤礦生產進入了智能化加速建設的新階段。近年來，大陽煤礦為實現煤炭產業升級進行了大量探索，在主斜井皮帶以及主運皮帶安裝PLC 控制柜、攝像頭等設備，在主斜井皮帶安裝巡檢機器人，對主運皮帶四部帶進行變頻改造以及增加煤量檢測傳感器。實現“逆煤流啟動，順煤流停車”，一鍵啟動、一鍵停機，自動調速，防止皮帶發生火災等功能，有效提高了生產效率，為煤礦由勞動密集型向人才密集型轉變作出了積極的貢獻，取得了良好的經濟效益和社會效益。